基于同轴腔滤波器的五工器设计

易 波，李丽英，陈紫琪

(解放军78118部队，四川 成都 610000)

0 引 言

随着现代无线电技术的快速发展，短波、超短波、集群通信等多种通信手段集成至单一平台成为发展趋势[1-2]。为合理利用单一平台的有限空间，通常采用多装备共用1副天线[3-4]。多工器能够同时收/发多路特定频率信号，屏蔽干扰信号频率，保证多套通信系统同时正常工作[5-6]。同轴腔滤波器具有插入损耗低、Q值高、功率容量大、寄生通带频带间隔宽且设计灵活等优点，已在无源器件中得到越来越广泛的应用[7-8]。本文针对750～950 MHz频段内包含集群通信、移动电信业务、数据链、接力通信等多种通信业务天线共用需求[9-10]，设计了一款基于同轴腔滤波器的五工器，能够被该频段通信系统天线共用。

1 同轴腔体滤波器设计基本原理

同轴谐振腔内部结构与电磁场分布如图1所示[11]。

图1 同轴谐振腔内场分布

为了方便滤波器的调试，在设计同轴谐振腔时，通常会在开路端加入调谐螺钉，通过调节调谐螺钉伸入腔体长度，改变同轴腔谐振频率[12]。

当2个谐振腔串联时，谐振腔间电磁能量会相互耦合。耦合系数是表征2个谐振腔之间耦合强度的一个物理量，耦合系数绝对值越大，说明2个谐振腔间耦合越强。双模提取法是一种简单而实用的耦合系数提取算法[13]，公式为：

(1)

式中：f1和f2分别代表第1个和第2个谐振腔谐振频率。

除却谐振腔间的耦合，在设计腔体滤波器时，还需要考虑谐振腔与输入输出之间的耦合，同轴腔微波滤波器常用的输入输出结构有：直接耦合、电容耦合(电耦合)以及磁环耦合(磁耦合)，如图2所示[14]。

3种耦合结构中，直接耦合结构相对简单，损耗小，适合目标多工器设计。

2 同轴腔体滤波器设计

目标五工器性能指标如表1所示。

根据表1中五工器技术指标，本文首先设计了单路滤波器。在此基础之上，完成五工器结构整体优化。为保证目标五工器整体指标满足表1要求，单路滤波器结构形式采用四腔体滤波器。

在HFSS电磁仿真软件中建立单通道滤波器三维仿真模型，如图3所示。调节调谐螺钉进入腔体长度可调节谐振频率，在两相邻腔体间窗中央加入调谐螺钉，调节相邻两腔体之间的耦合度。为了便于加工，在边缘处进行了R5的倒角。

图3 HFSS中3D仿真结构模型

利用HFSS参数扫描功能，对五工器结构进行优化，得到各通带滤波器结构参数(如表2所示)。各个通带传输特性如图4所示，仿真结果满足目标要求。

表2 各通道尺寸(MHz，mm)

3 五工器结构设计

图4 HFSS中各通道传输特性仿真结果

链式结构五工器将各通道带通滤波器接入到主干的特殊位置，以保证在通道接入点以下的电抗无穷大。由于链式结构五工器结构较为复杂，直接进行全波仿真耗时长。因此在五工器结构设计时，先利用ADS仿真确定链式结构各段传输线初值，再代入HFSS中对五工器模型进行全波仿真优化[15-16]。ADS中仿真模型如图5，SNP文件为HFSS中导出的对应滤波器传输特性文件。

图5 五工器在ADS中的物理电路模型

经过优化设计后，各个枝节的同轴线物理长度如表3所示。

根据ADS优化得到各个枝节同轴线长度初值，在HFSS建立链式结构五工器模型(如图6所示)，并进行全波仿真与优化。优化后五工器的S参数仿真结果如图7所示。由图7可知，所设计链式结构五工器通带插入损耗不大于0.7 dB，不同通带之间隔离度不小于40 dB，频率响应符合技术指标要求。

表3 各个枝节同轴线物理长度优化结果

图6 HFSS中链式结构五工器仿真模型

图7 链式结构五工器在HFSS中的S11和S21仿真结果

4 加工与测试

按照图6结构加工制作了多工器实物(如图8所示)，利用思仪矢量网络分析仪3762A对所加工的多工器进行测试，测试原理图如图9所示。在测试中，矢量网络分析仪一端口接多工器输入端口，另一端口接一路输出端口，其余4路输出端口接匹配负载。

图8 多工器加工实物

多工器各路通道传输系数测试结果如图10与表4所示。

从图10和表4中可以看出，通道频率仿真与实测结果一致性较好。相比仿真结果，实测结果带内插入损耗和3 dB带宽有所增加，插入损耗最大为0.8 dB，3 dB带宽最大达到19 MHz。实测结果表明，所设计的五工器能够满足使用要求。

图10 五工器各通道传输

表4 各通道仿真与实测结果

5 结束语

本文针对750～950 MHz频段设备天线共用需求，设计了带宽为11 MHz的五工器。通过HFSS电磁仿真软件与ADS电路仿真软件联合仿真，对所设计的五工器结构进行了优化，加工制作了五工器实物。实测结果表明，带内插入损耗最大为0.8 dB，3 dB带宽最大达到19 MHz，测试结果表明所设计的五工器能够满足使用要求。